COMPRESSOR
Design e função
Os compressores de turboalimentadores são geralmente centrífugos, com três componentes
essenciais: rotor, difusor e voluta. Devido à rotação do rotor, ar é admitido axialmente
no componente, acelerado e descarregado radialmente no difusor.
O difusor reduz a alta velocidade do ar, praticamente sem perdas, com conseqüente
aumento de pressão de temperatura. O difusor é formado pelo prato difusor
e uma parte da voluta, que por sua vez coleta o ar e reduz ainda mais sua
velocidade antes que ele chegue à saída do compressor.
Características operacionais
O comportamento operacional do compressor é geralmente apresentado por gráficos,
ou mapas, mostrando a relação entre a razão de compressão e vazão mássica
ou volumétrica. A região de operação estável do compressor centrífugo é limitada
por curvas de surge, choke (ou blocagem) e máxima velocidade periférica permissível.
Linha de surge
O gráfico é limitado à esquerda pela linha de surge, que é basicamente a
“interrupção” do fluxo de ar na entrada do compressor. Com uma vazão de ar
muito baixa e razão de compressão muito elevada, o escoamento não
consegue mais aderir ao lado de sucção das palhetas e o resultando é a interrupção
do processo de descarga. O fluxo de ar pelo compressor é revertido até que uma razão
de compressão estável com vazão de ar positiva seja alcançada, a pressão aumenta
novamente e o ciclo se repete. Esta instabilidade na vazão continua com frequência
fixa e o ruído resultante é conhecido como “surge”.
Linha de “choke” ou blocagem
A vazão de ar máxima de um compressor centrífugo é normalmente limitada pela área
de seção transversal na admissão do compressor. Quando a vazão na admissão do rotor
atinge velocidade sônica, não é mais possível nenhum aumento na vazão de ar. A linha
de “choke” se localiza à direita no mapa do compressor, sendo caracterizadas por
um declínio acentuado da razão de compressão à rotação constante.
TURBINA
Design e função
A turbina do turboalimentador consiste em um rotor e voluta e tem por objetivo converter
o gás de escape do motor em energia mecânica para acionar o compressor.
O gás de exaustão, restringido pela área da seção transversal da voluta, sofre um
processo de expansão na turbina, resultando em queda de pressão e temperatura entre
a admissão e saída. Esta queda de pressão é convertida pela turbina em energia cinética
para mover o rotor da turbina.
Há dois tipos principais de turbinas: radial e axial. No tipo axial, a vazão pelo
rotor é apenas na direção axial. Nas turbinas radiais, o fluxo de gás é centrípeto,
ou seja, em uma direção radial de fora para dentro, e a descarga de gás na direção
axial.
Em rotores com diâmetro de até 160 mm, usam-se apenas turbinas radiais. Isso corresponde
a uma potência do motor de aproximadamente 1000 kW por turboalimentador. A partir
de 300 mm, usam-se apenas turbinas axiais. Entre esses dois valores, ambas as variações
são possíveis.
Como a turbina radial é a mais aceita em aplicações automotivas, a seguinte descrição
limita-se ao seu design e função.
Na voluta de turbinas radiais ou centrípetas, a pressão dos gases de escape é convertida
em energia cinética. Após este processo de aceleração, o gás de escape é direcionado
à velocidade constante para o rotor, em toda sua circunferência. A conversão da
energia cinética em trabalho mecânico de eixo ocorre no rotor da turbina, que é
projetado para aproveitar a maior parte desta energia cinética antes de o gás deixar
a turbina.
Características operacionais
A performance da turbina melhora com uma maior diferença entre a pressão na admissão
e na saída, ou seja, quando mais gases de escape são acumulados antes da turbina
em conseqüência de uma maior velocidade do motor ou no caso de uma elevação na temperatura
dos gases de escape causado pela maior energia destes.
O comportamento característico da turbina é determinado por uma seção transversal
específica da voluta, também conhecida como garganta, que se localiza na área de
transição entre o duto de admissão e a voluta propriamente dita. Ao reduzir esta
seção, uma maior quantidade de gases de exaustão é retida à montante da turbina
e a performance aumenta como resultado de uma maior razão de expansão. Portanto,
uma seção transversal menor resulta em maior pressão de sobre-alimentação (“boost
pressure”.
A área de seção transversal da turbina pode ser facilmente modificada com a troca
da carcaça de turbina.
A capacidade de vazão mássica de uma turbina também é influenciada pela área de
entrada no rotor da turbina, além da área da garganta na voluta. A usinagem do contorno
em um rotor fundido permite modificar a área de entrada do rotor de turbina permitindo
ajustes na pressão de sobre-alimentação. Um contorno maior resulta em uma maior
área de entrada no rotor.
Turbinas com geometria variável modificam a área da seção transversal entre a voluta
e o rotor de turbina através de palhetas móveis ou anel deslizante, cobrindo parte
da área da seção transversal.
Na prática, as características operacionais de uma turbina são descritas por mapas
contendo o parâmetro de fluxo plotado em função da razão de expansão na turbina.
O mapa de turbina mostra as curvas de vazão mássica e eficiência para várias rotações.
Para simplificar o mapa, tanto as curvas de vazão mássica quanto as de eficiência
podem ser mostradas por uma curva média.
Para se obter um turbocompressor eficiente, a escolha dos diâmetros dos rotores
de compressor e turbina é essencial. A posição do ponto de operação no mapa do compressor
dita a rotação do turbocompressor. O diâmetro do rotor de turbina precisa ser bem
escolhido visando maximizar a eficiência na faixa de operação.
Turbocompressor com turbina de dupla entrada
A turbina raramente opera sob pressão constante dos gases de espape. Em motores comerciais
a diesel com turbocompressão por pulso, a utilização de turbinas com dupla entrada
permite a melhor utilização da pulsação dos gases de escape, pois uma maior razão
de expansão na turbina é alcançada em menor tempo. Portanto, com o aumento da razão
de expansão, a eficiência aumenta, melhorando o importante intervalo de tempo quando
uma maior e mais eficiente vazão de gases passa pela turbina. Como resultado do
melhor aproveitamento da energia contida nos gases de exaustão, as características
de pressão de sobre-alimentação e, conseqüentemente , o torque são melhorados, principalmente
a baixas rotações do motor.
Para prevenir a interferência entre um cilindro e outro durante o ciclo de troca
de gases, também conhecido por “lavagem do cilindro”, três cilindros são conectados
a um coletor de exaustão. Turbinas com dupla entrada permitem, então, que os gases
de exaustão sejam admitidos separadamente na turbina.
SISTEMAS DE CONTROLE
Objetivo e função
A dirigibilidade dos motores turbo de carros de passeio precisa atender as mesmas
exigências de motores de aspiração natural de mesma potência. Ou seja, a pressão
de sobre-alimentação total deve estar disponível nas baixas rotações do motor, o
que pode ser obtido com um sistema de controle da pressão na turbina.
Controle por bypass lateral na turbina
O bypass no lado da turbina é a forma mais simples de controle da pressão de alimentação.
O tamanho da turbina é escolhido de forma que as exigências da característica de
torque para baixas rotações do motor possam ser atendidas, alcançando-se boa dirigibilidade
do veículo.
Com este design, logo antes do ponto de máximo torque, fornece-se a turbine mais
ar que o necessário para produzir a pressão de sobre-alimentação necessária. Portanto,
uma vez atingido um certo valor de sobre-alimentação, parte do gás de exaustão é
desviado da turbina por meio de um “bypass”. A abertura ou fechamento da válvula
do “wastegate” geralmente é operada por meio de um diafragma conectado a uma mola,
cujo deslocamento depende da pressão de sobre-alimentação.
Hoje, sistemas eletrônicos de controle de pressão de sobre-alimentação são cada
vez mais utilizados em motores a gasolina ou a diesel em carros de passeio. Quando
comparados a controles puramente pneumáticos, que somente funciona como um limitador
de pressão máxima, um sistema flexível de controle de sobre-alimentação permite
um ajuste de pressão ótimo em cargas parciais. A operação é regulada por diversos
parâmetros, tais como temperatura do ar, ponto de avanço da ignição e qualidade
do combustível. A operação da válvula é semelhante à operação puramente pneumática.
O diafragma do atuador é submetido a um controle de pressão modulado, contrastando
com o controle por pressão máxima de sobre-alimentação.
Esta pressão de controle é menor que a pressão de sobre-alimentação e é gerada por
uma válvula proporcional, garantindo que o diafragma fique sujeito à pressão de
sobre-alimentação e também à pressão de entrada no compressor, em diferentes proporções.
A válvula de proporcionalidade é controlada através da eletrônica do motor. Para
motores diesel, um atuador regulado à vácuo é utilizado para o controle eletrônico
de pressão de sobrea-alimentação.
Turbina de geometria variável
A turbina de geometria variável permite uma variação da área de passagem de gás de
acordo com o ponto de operação do motor. Sendo assim, permite-se utilização total
da energia dos gases de exaustão devido ao ajuste da área de passagem do gás, otimizada
para cada ponto de operação do motor. Como resultado, a eficiência do turbocompressor,
e também a do motor, é maior quando comparada quando se utiliza um sistema de controle
por “bypass”.
Turboalimentador para caminhões com turbina de geometria variável (VTG)
Controle da seção transversal de vazão por meio de
palhetas diretrizes variáveis: VTG
Palhetas variáveis entre a voluta e o rotor de turbina influenciam o comportamento
de aumento de pressão de escape, atuando, portanto, no trabalho extraído pela turbina.
Em baixas rotações do motor, a seção transversal é reduzida pelo fechamento das
palhetas. A pressão de sobre-alimentação, e como conseqüência o torque, aumentam
como resultado da maior razão de expansão na turbina. Em rotações altas do motor,
as palhetas abrem de forma gradual. A pressão de sobre-alimentação requerida é atingida
com uma menor razão de expansão, influenciando positivamente o consumo de combustível.
Durante a aceleração do veículo a partir baixas velocidades, as palhetas são fechadas
para aproveitar ao máximo a energia dos gases de exaustão. Com aumento na velocidade,
as palhetas são abertas para otimizar a operação naquele ponto.
Atualmente, a temperatura dos gases de exaustão de um motor diesel moderno, com
alta potência específica, atinge até 830ºC. O movimento preciso e confiável das
palhetas em um ambiente de alta temperatura exige materiais especiais e também um
controle preciso sobre as tolerâncias. Independente do tamanho do turbocompressor,
as palhetas devem apresentar folga mínima para assegurar operação segura durante
toda a vida do veículo.
SISTEMA DE MANCAIS
O conjunto eixo-rotor de um turboalimentador pode girar a até 300,000 rpm. A vida
de um turbocompressor deve corresponder àquela do motor, que pode atingir até 1,000,000
km para veículos comerciais. Somente mancais deslizantes desenvolvidos especialmente
para turbocompressores podem atingir altas exigências a um custo razoável.
Sistema de mancais radiais
Com um mancal deslizante, o eixo gira sem atrito sobre uma película de óleo na bucha.
Para o turbocompressor, o fornecimento de óleo vem do circuito de óleo do motor.
O sistema de mancais é projetado de tal forma que as buchas de bronze, girando a
metade da rotação do eixo, situem-se entre a carcaça estacionária e o eixo, permitindo
que este mancais de alta velocidade sejam adaptados para não existir contato entre
o eixo e os mancais em nenhum ponto de operação. Além da função de lubrificação,
o filme de óleo nas folgas dos mancais tem função amortecedora, contribuindo para
a estabilidade do conjunto eixo-rotor. A capacidade de suportar cargas hidrodinâmicas
e as características de amortecimento são otimizadas pelas folgas. A espessura do
filme de óleo para as folgas internas é selecionada de acordo com a resistência
do mancal, enquanto as folgas externas são projetadas visando o amortecimento. As
folgas nos mancais são da ordem de poucas centenas de milímetros.
O sistema de mancais inteiriço é um tipo especial de mancal deslizante. O eixo gira
em uma bucha estacionária, que drena óleo da parte externa. A folga externa do mancal
pode ser projetada especificamente para o amortecimento do mesmo, pois não existe
rotação.
Sistema de mancais com empuxo axial
Nem os mancais de buchas totalmente flutuantes nem o sistema que utiliza uma bucha
inteiriça estacionária suportam cargas na direção axial. Uma vez que as forças aerodinâmicas
agindo no rotor de turbina ou de compressor apresentam diferentes magnitudes e direções,
o conjunto eixo-rotor pode se mover axialmente como resultado da existência de uma
força resultante na direção axial. O mancal axial suporta estas cargas pois apresenta
uma superfície deslizante com ranhuras cônicas. Dois pequenos discos fixados no
eixo funcionam como superfícies de contato. O mancal axial é fixado na carcaça central.
Um prato defletor de óleo impede o óleo de entrar na área de vedação do eixo.
Dreno de óleo
O óleo lubrificante flui para o turboalimentador a uma pressão de aproximadamente
4 bar. Como o óleo retorna a baixa pressão, o diâmetro do tubo de drenagem precisa
ser maior do que o do tubo de admissão do óleo. Sempre que possível, a vazão de
óleo pelo mancal deve ser vertical, de cima para baixo. O tubo de drenagem do óleo
deve retornar ao cárter acima do nível de óleo do motor. Qualquer obstrução no tubo
de drenagem do óleo resultará em contrapressão no sistema de mancais. O óleo então
passa pelos anéis de vedação para o compressor e turbina.
Vedação
A carcaça central precisa ser vedada contra os gases de escape quentes da turbina
e perda de óleo. Instala-se um anel de pistão em um sulco no eixo do rotor tanto
no lado do compressor quanto da turbina. Esses anéis não giram, mas são firmemente
presos à carcaça central. Este tipo de vedação sem contato, forma uma de vedação
tipo labirinto que dificulta o vazamento de óleo em conseqüência de múltiplas reversões
de fluxo, garantindo que apenas pequenas quantidades de gases de escape cheguem
ao cárter.